隱身轟炸機和隱身戰鬥機的發明歷史是怎樣的?

克里奧爾


隱形飛機的研製歷史可能比我們想象的要早。其實人類對軍用飛機的隱身設計最早可以追溯到二戰末期。

二戰末期,德國人推出了一款造型怪異的轟炸機原型機,Horton go.229。這款飛翼構型的轟炸機不論是其飛翼構型,進氣口和尾噴口的屏蔽設計,還是碳質吸波材料和弱介電常數的蒙皮(木質)都可以證明這是一款專門優化過的低雷達反射界面的飛機。這是已知最早的隱身設計。

二戰末期德國研發的Horton go.229

冷戰時期,美國率先開發出了升限20公里以上的U-2高空偵察機,並在很長一段時間內讓蘇聯和中國的防空部隊無計可施,甚至逼的蘇聯開發出了錐膛炮版本的高射炮來勉強維持防空圈(因為只有這款錐膛炮射高夠得到U-2)。隨著蘇聯導彈的進步,開發出了最大射高超過25公里的S-75(SA-2)防空導彈,U-2變得不再安全。鑑於此,美國在1956年開展了彩虹項目,意在U-2偵察機的蒙皮上塗上一層鐵氧體吸波材料來吸收雷達波。後來在1960年代開發的A-12和SR-71偵察機,也在外形上兼顧了一定低雷達散射截面的設計。然而在實際使用中,A-12和SR-71的隱身設計似乎完全不起作用,在越南戰場上還是屢屢被發現並被導彈集火;要不是飛機可以飛到3.2馬赫,早就被北越多S-75揍下來了。

U-2隱身驗證機

黑鳥家族,外形過渡圓滑,有一定低雷達散射截面的設計

為什麼採用的隱身設計不起作用呢?究其根本,是因為此時的美國還沒有掌握飛機RCS計算的正確模型。雖然RCS的計算早就有一些數學模型存在了,比如物理光學法,然而這個計算量極其龐大,建立模型也非常困難。加上當時的計算機根本支持不了這樣的計算,所以隱身戰機的外形設計必然是要失敗的。

隨後的1970年代,洛克希德·馬丁又設計了一款隱身攻擊機,外形與SR-71有些類似,不過同樣沒有服役,隱身設計靠譜靠譜也就不得而知了。

洛克希德·馬丁 70年代研發的“超級衛星”隱形對地攻擊機

而在大洋彼岸,蘇聯的一位名不見經傳的科學家烏菲姆謝夫在60年代提出的一個理論,最終成為了隱身戰機設計的突破口。烏菲姆謝夫提出了一個理論叫物理衍射理論(Physical Theory of Diffraction,PTD),這個理論的核心內容物體對雷達電磁波的反射強度和物體的尺寸大小無關,而和邊緣波的電流強度有關。根據這個物理方程模型,可以計算任何構型飛行器的RCS值。

然而由於蘇聯這邊未對該理論有足夠的重視,因此被束之高閣。然而牆裡開花牆外香,該理論漂洋過海後,被洛克希德·馬丁臭鼬工廠的工程師丹尼斯·奧瓦霍塞發現。受該理論的啟發,丹尼斯發現原來複雜外形的物體雷達散射場可以用鏡面反射場加邊緣電流的總效應表示的,這提供了一種有效的RCS計算方法。

臭鼬工廠根據PTD理論設計出了一種程序,可用來計算RCS最小的飛行器外形。但由於當時超級計算機浮點運算能力實在太捉急了,只能設計出由有限多個三角形組成的飛機外形(想想3D遊戲剛出來的時候是不是也是多邊形的?)。這個工程上的成果在1977年被直接應用到了世界上第一款真正的隱形驗證機——海弗蘭驗證機上。隨著海弗蘭驗證機的成功,該成果應用到了一款隱身轟炸機上,這就是F-117隱形轟炸機。

F117採用的多邊形和鋸齒型邊緣設計,可以將雷達波散射到特定幾個方向,而機頭方向上可以保證RCS非常小(0.0001~0.01平方米)。採用傾斜雙垂尾,可以將側面射來的雷達波偏轉到其他方向,不會被接收機接收;此外採用完全內置的武器,即所有武器放在彈倉中,以免武器彈藥和掛架影響到隱身性。

海弗蘭驗證機

F117隱身轟炸機

F117的RCS模擬,RCS分佈呈蝴蝶型,機頭方向RCS最小

在F117的設計獲得巨大成功後,美國並未停止開發更新的隱身轟炸機。因為F-117的載彈量和航程太弱雞了,只能算一款戰術轟炸機或者攻擊機,不具備戰略打擊能力。新的隱身戰略轟炸機於1980年代開啟,由諾斯羅普公司操刀,沿用了飛翼構型,在此基礎上加入了翼身融合設計,並採用更加光滑過度的外形,以此優化氣動外形。為了優化隱身,並採取了更為激進的設計——去掉了垂尾,僅使用機翼上的幾個阻力舵以及兩個發動機的差動來控制機身的航向偏轉和滾轉機動。由於以上的改進,

B-2的隱身在全方向上做的都比較好。

B-2並非是諾斯羅普平地上建高樓,實際上在二戰期間諾斯羅普就已經開始為軍方開發了一款飛翼構型的轟炸機——YB-35,當然它是1946年才開始生產,二戰都已經結束了;緊接著諾斯羅普在1947年又研製了飛翼構型的噴氣版本——YB-49。這兩個飛機雖然當時沒有主要考慮隱身性能,然而這種飛翼構型天然具有不錯的全向隱身能力,為後來的B2打下了很好設計基礎。

使用螺旋槳推進的YB-35和噴氣推進的YB-49

B-2 的原型機“高級珍珠”

B-2轟炸機

B-2轟炸機不加油最大航程達到了1.2萬公里,最大起飛重量達170.6噸,兩個內置彈艙可以攜帶25噸的彈藥(16枚AGM-129)。這是一款真正意義上的隱身戰略轟炸機。

F-22的ATF(Advance Tatical Fighter)計劃幾乎是和B-2的同時開展的,在80年代在洛克希德·馬丁和諾斯羅普之間展開了激烈競爭。最終設計靠譜,工期不拖的洛克希德的YF-22略勝YF-23一籌,成為了美國首款隱身戰鬥機。這款飛機同樣適用內置彈艙作戰,不僅隱身性能好,氣動外形也是精妙絕倫,擁有4S性能(超音速巡航,超機動性能,隱身性能和超視距打擊)。

YF-22和YF-23

1991年,ASD正式宣佈了ATF計劃YF-22中標。最初的合同包括了9架單座原型機和2架雙座原型機,以及批量750架空軍正式服役的機型,不過隨著冷戰結束,美國失去了真正的對手,F-22訂單也就一砍再砍,最終只有183架服役。

F-22可以算天下第一委屈的戰鬥機,武功蓋世,無用武之地

隨著F-22服役,它的一些缺點就暴露出來了。最大的問題在於對地對海攻擊能力差。除了攻擊能力差以外,海軍和馬潤覺得這麼個大寶貝,動不動就要恆溫機庫,吃點海風動不動就要趴窩保養,伺候不起,因此堅決不要。於是空軍海軍和陸戰隊聯合起來又搞了一個幹糙活的五代機項目——聯合攻擊機項目(JSF)。這就是F-35的由來。這一次競爭在洛克希德馬丁和波音之間展開,技術雄厚的洛克希德·馬丁在俄羅斯Yak141垂直起降專利的加持下,擊敗了波音,順利把X35的X變成了F。除發動機不是變循環以外,X35都要比X32更優秀,尤其是顏值。

波音的X32

F-35垂直降落模式,採用了尾噴管垂直向下旋轉90度的方式

F-35比起F-22,應用了更多的先進技術,比如吸波性能更好同時更皮實的隱身塗層,分佈在全身的光電傳感器和雷達電子設備,讓F-35擁有超強的態勢感知能力,甚至可以在全程雷達靜默下完成任務。目前F-35在全世界範圍內累計交付的數量已經達到了390架,不光是美國自己裝備,還成功賣給了不少小兄弟。

F-35的EOTS可以實現360度可見光-紅外探測能力覆蓋

F-35周身佈滿了敵我識別天線,雷達告警器,電子戰設備和光電分佈式孔徑系統(EODAS)

美國在隱身戰鬥機上的進步和技術成就是舉世矚目的。然而進入了21世紀10年代後,另一款戰鬥機很大程度上奪取了F-22和F-35的光環——這就是我們的殲20。殲20在設計哲學上兼顧了空優和對地,擁有F-22沒有的態勢感知能力和F-35沒有的超機動能力。不得不說我們國家的飛機設計師是很有智慧的。

殲20的隱身設計非常靠譜

殲20也使用了類似F-35那樣的EOTS和EODAS,態勢感知能力超強

從五代機開始,中美第一次站到了同一高度上。而六代機開始,美、俄、英、法、中等國家也都已經紛紛開始提出自己的計劃和預研工作。在這個時代,隱身設計理論在這個時候已經非常成熟了,六代機要解決的還是能否搞定用更加整潔的外形和更少的舵面來實現超機動。此外高能武器,人工智能,渦輪機組合循環和變循環發動機技術,都將是未來六代隱身機的可選發展方向。現在還看的不是特別清楚,只能說八仙過海各顯其能,誰的方案更成熟,更能經受時間考驗,就越可能成為下一代戰機的標準了。

各國的六代機方案


紙上的宣仔


先說F117,其實是隱身戰鬥機,但是我們看到他的戰績都是精準轟炸,雖然美軍因為某種原因退役,大家懂得,在本世紀60年代末、70年代初是美國軍用飛機(尤其是戰鬥機)發展的高峰。目前美國空、海軍現役的主力戰鬥機,差不多都是那時候研製的,例如F—14、 F—15和F—16戰鬥機均為70年代初問世,只有F/A—18稍晚一點。美國人發展軍用飛機,往往始一種新型號出現後,馬上就開始考慮它的後繼機,有時甚至還要提前。隱形戰鬥機的研製就是從那時候開始萌芽的。後來,美國國防部高級研究計劃局提出了一個稱之為“海弗蘭”的隱形戰鬥機研究計劃,要求有5家主要合同商參加。起初,洛克希德飛機公司並未被列於這5家之列。原因是說該公司缺少現代戰鬥機的設計經驗。實際上,洛克希德是一個老牌的飛機公司,創始於 1916年,先後研製出P—38、F—80、F—104、C—130和SR—71等一系列優秀軍用飛機,有些甚至是世界名機。近年來,雖然沒有再搞戰鬥機的研製,但一直在獨立地進行隱形技術的研究。由於洛克希德具有實力,而且在隱形飛機的研究上先行了一步,因此經過努力,終於被擠進了“海費蘭”計劃,並最後在原型機的競爭中獲勝。“海弗蘭”計劃始於70年代中期,先搞了兩架小型原型機進行可行性試驗。這兩架小型原型機也叫“海弗蘭”,裝兩臺發動機,採用奇特的多面體外形。這種外形設計的依據,主要來源於一個計算飛機雷達反射截面積(RCS)的數學模型。因為計算雷達反射截面積,平面外形比曲面外形要容易些。沒想到這一數學模型真的得到了應用。“海弗蘭”原型機的放大型就是F—117A,1978年由洛克希德“臭鼬工廠”開始研製。研製工作進展順利,1981年6月首飛成功。1983年10 月進入托諾帕試飛基地的第4450戰術大隊服役(現為第37戰術戰鬥機聯隊)。美國空軍共訂購59架,現已全部交付,並無後續採購計劃。59架中有4架分別於1982年、1986年和1987年及1997年墜毀。59架F—l17A飛機總耗資將達66億美元,計劃價格為1.112億美元。

再說B2,隱身轟炸機,1977年,“冷戰”仍酣。為了能隱秘突入蘇聯領空,尋找並摧毀蘇軍的機動型洲際彈道核導彈發射架和縱深內的其它重要戰略目標,美國空軍提出要製造一種新型戰略轟炸機,要求它能夠避開對方嚴密的對空雷達探測網,潛入敵方縱深,以80%的成功率完成任務。為此,空軍擬製出了“軍刀穿透者”計劃,把隱身技術的應用列入了具體議事日程。由於洛克希德公司不久前提交的樣機受到好評,空軍便將生產F—117A隱身戰鬥機的合同交給了這家公司。隨著隱身戰鬥機的投產,美國國防部和國會要人也開始接受了“隱身轟炸機”這一概念,並於1979正式批准了空軍提出的研製這種飛機的申請報告。次年,美國空軍就研製“先進戰略突防飛機(ASPA)”進行了公開招標,諾斯羅普公司提出的方案得到了首肯。隨後,美國空軍把該機的研製項目正式定名為“先進技術轟炸機(ATB)",—這就是B—2隱形戰略轟炸機的最初名稱。B-2幽靈隱形戰略轟炸機是冷戰時期的產物,由美國諾思羅普公司為美國空軍研製。1979年,美國空軍根據戰略上的考慮,要求研製一種高空突防隱形戰略轟炸機來對付蘇聯90年代可能部署的防空系統。1981年開始製造原型機,1989年原型機試飛。後來對計劃作了修改,使B-2轟炸機兼有高低空突防能力,能執行核及常規轟炸的雙重任務。

F-22隱形戰鬥機 是美國洛克希德-馬丁公司和波音公司聯合研製的21世紀隱形戰鬥機。它的特殊設計同時兼顧了機動性和隱身性能,機載設備信息處理能力強大,並具有超音速巡航能力.。1985年9月美國空軍就新世紀戰鬥機計劃展開招標,洛克希德/波音/通用動力聯合小組的YF-22方案和諾斯羅普/麥道的YF-23方案得標。1990年9月,YF-22開始試飛。1991年4月23日,美國空軍宣佈YF-22戰勝YF-23,成為新世紀戰鬥機的藍本。1997年2月,F-22第一架原型機首飛。

F-35隱形戰鬥機是美國最新研製的單座單發戰鬥機,由洛克希德公司研製生產,1999年首飛,如果能夠被美國軍方選中,該機將經過約10年的研製和發展計劃,以便成為美國空軍、海軍陸戰隊、海軍和英國皇家海軍各自所需的戰鬥機。該機長13.72米,翼展11米,空重10000—11000公斤,載油量6800—7200公斤,最大載彈量6000—7700公斤,最大起飛重量22500—23000公斤,作戰半徑1100公里,動力裝置是普拉特·惠特尼公司的F119—PW—100 渦噴發動機。該機有空軍型、海軍型、陸戰隊型,其中F-35B戰鬥機是世界上第一架超音速垂直起降戰鬥。

還有我國的J20 J31。俄羅斯蘇57都是在美國之後研發出來的。


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